[发明专利]将卤化物钙钛矿表面转化为不溶性宽带隙铅氧盐以增强太阳能电池的稳定性

说明书

提供了电子装置，所述电子装置包括第一层，所述第一层包括钙钛矿材料；以及安置在所述第一层的表面上的涂料层，其中所述涂料层包括涂料含氧盐。本文还提供了钙钛矿材料，所述钙钛矿材料包括：位于所述钙钛矿材料的表面的至少一部分上的涂料层，其中所述涂料层包括涂料含氧盐。本文进一步提供了用于在钙钛矿材料的表面上形成涂料层的方法，所述方法包括以下步骤：将所述表面暴露于其中溶解有前体含氧盐的流体，使得通过所述钙钛矿材料与所述前体含氧盐之间的化学反应在所述表面上形成所述涂料层；其中所述涂料层包括涂料含氧盐。

关于联邦赞助的声明研究或开发

本发明是在政府支持下根据海军研究办公室(Office of Naval Research)授予的奖励号N00014-17-1-2727和空军科学研究办公室(Air Force Office of ScientificResearch)授予的奖励号A9550-16-1-0299完成的。政府享有本发明的某些权利。

背景技术

已证明或设想了钙钛矿材料可用于广泛应用中并且优于广泛应用中的其它常规材料。受益于钙钛矿材料的使用的应用包含电子装置，如光活性装置，包含太阳能电池和发光二极管(LED)。特别是某些钙钛矿材料，如有机-无机钙钛矿材料，为太阳能电池提供了相比于传统薄膜太阳能电池更高的效率以及相比于传统薄膜或硅太阳能电池更低的材料和制造成本。然而，各种等级的钙钛矿材料稳定性较差，如在暴露于液态水或水蒸气时，会对采用钙钛矿材料的装置的进一步技术和市场进步构成重大挑战。

例如，有机-无机卤化物钙钛矿因其许多独特光电性质，包含强吸收、长电子-空穴扩散长度和溶液可加工性而引起了在光伏领域的前所未有的关注。^1-5小尺寸实验室钙钛矿太阳能电池(PSC)的功率转换效率(PCE)已经达到23.3％的认证值，超过了如CdTe和CIGS太阳能电池等主流薄膜太阳能电池。⁶然而，尽管在效率增强方面取得了这些重大进展，但PSC在现实操作条件下仍面临长期不稳定问题，这仍然是其商业化之前需要克服的关键障碍。^7-10

作为PSC的关键组分，卤化铅钙钛矿通常在热、氧气、水分、光辐照和电场的刺激下不稳定。^8,11,12已经显示出定制组成、结晶度和内部应变可以显着提高材料在不同刺激下的内在稳定性，但其对水分和氧气不稳定仍然是待解决的突出问题。^13-16一些报道显示，由于缺陷位点的反应性较高，钙钛矿的降解通常开始于缺陷表面和晶界，并且其最容易受到水分和氧气的攻击。^17,18,19已经应用了许多有机分子和聚合物以通过电荷转移来使表面电子缺陷钝化，使得电子带电缺陷可以被中和，同时使用疏水性有机材料来物理覆盖一些结构缺陷也会增强钙钛矿的稳定性。^20-22例如，可以使用富勒烯(fullerene)和其衍生物作为用于增强装置效率并降低电流滞环的钝化层，其可以接受来自PbI₃^-或欠配位的卤化物离子的带负电的Pb-I反位点的电子。²⁰表面带电的欠配位的Pb²⁺位点可以由路易斯碱电子供体，如噻吩和吡啶通过电偶极相互作用或电荷中和进行电钝化。²¹具有负组分和正组分两者的两性离子显示出优异的双重钝化作用，这也会增强未包封的钙钛矿膜在环境条件下的稳定性。²²然而，依赖于这些钝化分子来增强稳定性存在局限性，因为这些钝化分子与膜缺陷之间的二次键合太弱，无法保护钙钛矿材料免受如水分和氧气等危害的攻击。另外，由于并非每个结构缺陷都是电子缺陷，因此可能引起膜退化的一些结构缺陷可能不会被钝化分子覆盖。

本文提供了解决这些和其它挑战的钙钛矿材料、电子装置和相关联的方法。

发明内容